高压富水隧洞硬岩地层径向注浆堵水施工技术及应用

孙振川, 游金虎

(1. 盾构及掘进技术国家重点实验室， 河南 郑州 450001; 2. 中铁隧道股份有限公司， 河南 郑州 450001)

高压富水隧洞硬岩地层径向注浆堵水施工技术及应用

孙振川1, 2, 游金虎2

(1. 盾构及掘进技术国家重点实验室， 河南 郑州 450001; 2. 中铁隧道股份有限公司， 河南 郑州 450001)

引汉济渭工程岭南隧洞TBM施工穿越高压富水破碎带等不良地质段，施工过程中隧道断面高压突涌水严重。为解决高压富水破碎带的大量出水问题，本文提出“钻孔分流+表面嵌缝+浅层封堵+深层加固”的裂隙径向注浆堵水处理技术，配合新型注浆材料，实现了对高压富水裂隙出水的有效封堵。结合岭南隧洞工程隧道断面出水情况，给出裂缝宽度、注浆量、注浆压力等计算公式以及注浆过程控制标准。通过对工程现场8个出水段实施径向注浆堵水技术，洞内出水量由原来的46 000 m3/d降至7 800 m3/d左右，实践证明该技术方法有效，可为同类高压富水破碎地层径向注浆提供参考。

硬岩地层； 高压富水破碎带； TBM施工； 突涌水； 径向注浆

0 引言

全断面隧道掘进机(tunnel boring machine，TBM)已广泛应用于市政、水利隧洞、铁路以及煤矿巷道等工程领域[1-2]。与传统钻爆法隧道施工相比，TBM具有安全、快速、优质、高效掘进等优点，大大提升了施工机械化水平[3]。然而，针对不良地质条件，如岩层破碎带、高压富水地层、软弱地层、溶洞等，TBM适应性较差，掘进效率低，处理不当甚至会发生突水、塌方、卡机、淹机等工程事故，严重影响工程的安全、质量、经济与社会效益[4-6]。

高压富水破碎带是隧道施工风险较高的不良地质之一，易发生突涌水、塌方、设备被淹等事故。目前，针对高压富水破碎带的突涌水预防与处理，施工人员坚持“堵排结合、限量排放”的原则，采用径向注浆、局部堵水注浆、超前注浆等多种措施[7-8]。从设计角度出发，包德勇[9]针对高压富水破碎带易发生突涌水问题，提出加强型抗水压衬砌、全断面防水设计等措施。从施工角度出发，张健儒[10]根据围岩情况和地层超前预报结果采取超前预注浆堵水措施，以降低围岩渗透系数；吴海之[11]结合大瑶山1#隧道F6断层发生大规模涌水、涌泥问题，提出“先探水、预注浆、后管棚、管棚补注浆、后开挖、径向补注浆、快衬砌”的施工原则；张民庆等[12]结合齐岳山隧道出现的高压裂隙水问题，提出采用普通水泥单液浆、普通水泥-水玻璃双液浆的注浆堵水措施并明确堵水范围，取得良好效果。根据工程应用情况，以上学者提出的处理隧道突涌水的措施对传统钻爆法是有效的，而对于TBM隧道，由于受作业空间及设备限制，常规的注浆堵水方式较难实施，且注浆堵水效果较差[13-14]。

引汉济渭岭南工程TBM施工穿越高压富水破碎带等不良地质段，开挖面及隧道周边发生突涌水事故，水压高，涌水量大[15]。由于TBM设备占用隧道空间，注浆设备作业受到限制。本文通过分析引汉济渭岭南工程的突涌水事故，提出新型注浆材料以及径向注浆堵水施工技术，改进裂隙径向注浆技术，合理布设注浆孔，规划钻孔与注浆顺序，实现对出水裂隙的有效封堵，以期为类似TBM穿越高压富水破碎带出现的突涌水问题提供参考。

1 工程概况

引汉济渭工程秦岭输水隧洞TBM施工段岭南工程位于陕西省宁陕县四亩地镇境内，设计流量15亿m3，主洞全长18 275 m(K28+085～K46+360)，埋深500～2 000 m，其中采用TBM掘进施工2段，分别长9 880 m和7 630 m，中间设检修洞，采用φ8.02 m敞开式硬岩掘进机施工。

岭南工程隧洞穿越地层主要为石英岩、花岗岩、闪长岩、碎裂岩和糜棱岩，岩体完整性较好，呈弱风化-微风化状态。沿隧洞轴向方向，石英岩段长545 m，花岗岩段长13 750 m，闪长岩段长3 980 m，碎裂岩段长220 m(f7断层为30 m、QF4断层为190 m)，如图1所示。其中： QF4为山阳—凤镇区域性大断裂，走向为北西西向，表现为张性，具有切割深、延伸长、规模大的特点；f7为地区性一般断裂，走向多为近东西向，表现为压性，规模相对较小。

图1 引汉济渭工程秦岭隧洞TBM施工段岭南工程地质剖面图

工程区域地表水较发育，包括萝卜峪沟、木河、东木河等，受大气降水补给影响，常年流水，水量充沛。受构造、节理、裂隙的发育和分布情况控制，地下水主要表现为基岩裂隙水和构造裂隙水，水量较丰富，受大气降水补给。结合区域地质和水文地质条件，岭南工程隧洞位于地下水位以下，设计最大涌水量为12 226.00 m3/d。

根据对已掘进段2 425 m(K28+490～K30+915)的26处共计345 m出水段的涌水量统计，掘进段涌水量已达46 000 m3/d，超过设计最大涌水量，见图2。其中，K30+140～+146段涌水量达到4 704 m3/d，单位长度涌水量为784 m3/d。2016年2月28日出现的开挖面单点单次涌水量超过20 000 m3/d。

图2 出水段涌水量统计

根据对各出水点位置及出水量统计，左右侧边墙、拱腰以高压股状水为主，并伴有大范围散水，拱顶出露集中股状水、线状水、大范围散水等，如图3所示。由于已掘进段的出水量过大，运输车辆及电器设备已出现不同程度的损坏；同时，突涌水处理时间长以及在涌水环境下现场施工效率低的问题已严重制约施工进度。

(a) 高压集中裂隙水

(b) 集中小股状出水

(c) 大面积散状出水

(d) 集中大股状出水

图3岭南工程出水点示意

Fig. 3 Water inrush situation of Lingnan Tunnel

2 封堵方案

针对引汉济渭岭南工程出现的隧道断面出水情况，为了有效控制出水量，减小洞内抽排水压力，需对隧道出水量大的地段采取封堵措施。受传统注浆方法的空间及封堵能力限制，本文提出“钻孔分流+表面嵌缝+浅层注浆封堵+深层注浆加固”相结合的隧道断面出水封堵方案，以及集中封堵和补充注浆的后处理手段。

2.1钻孔分流

针对裂隙水压高、水量大的出水点，在凝固时间内浆液随出水流走，无法实现对出水点的直接注浆堵漏，因而降低水压和分流成为实现注浆封堵的前提条件。

钻孔分流作为降低裂隙水压、减少出水量的措施被应用于引汉济渭岭南工程的高水压、高水流量出水孔的前期处理中。根据出水点位置、出水状态等划分隧道断面局部涌水范围(分别以无水—渗水、渗水—线状出水为界)，判断出水程度(股状水、流水、渗水)，根据出水量及水压由浅入深布设一定数量的分流孔，如图4所示。分流孔的作用是揭穿更多出水路径，降低局部出水范围的水压力与水流量。分流孔的孔径根据裂隙水量大小而定，一般不小于φ38 mm；分流孔钻孔方向应根据隧道断面、岩层结构面、节理裂隙面的方向确定，尽量与主裂隙面或岩体结构面斜交，以穿过更多的裂隙，分流更多裂隙水；分流孔孔深应根据出水量确定，若出水量过大，且出水断面与隧道断面垂直时，可适当加深钻孔深度，但不宜超过6 m。

分流孔不仅可以降低水压和出水量，同时也可以作为后期处理的集中封堵孔。

(a) 涌水范围示意

(b) 分流孔方向

Fig. 4 Determination of water inrush range and direction of diffluence hole

2.2表面嵌缝

通过分流减压孔的分流和减压，围岩表面的裂隙出水量减小，出水压力明显降低，具备对开挖表面嵌缝的条件。使用嵌缝材料对主裂隙及影响范围内的次生裂隙进行嵌堵，如图5所示，防止或减少注浆时出现漏浆现象。

(a)

(b)

图5表面嵌缝

Fig. 5 Surface caulking

2.3深层注浆加固

为了实现对集中出水点的有效封堵，必须对集中出水点进行深层注浆加固。在高水压、大流量的出水点及周围布设深层加固孔，孔间距宜为1.2 m×1.2 m，孔深宜为5.0～6.0 mm，孔径宜为38～50 mm。深层加固孔方向应根据结构面/节理裂隙面、隧道断面的方向确定，钻孔深度应根据水压和流量确定，钻孔布置范围见图6。

当隧道断面仰拱、拱顶、侧腰等均出现较大出水点时，应自下而上依次封堵，即“先仰拱、后侧腰、最后拱顶”。

图6 钻孔布置示意

2.4浅层注浆封堵

为了实现隧道断面的全面封堵，必须坚持系统处理的原则，即不仅对出水点进行封堵处理，而且对出水区域周边一定范围的隧道断面进行系统浅层封堵注浆，特别是对于隧道断面整体裂隙较发育的地段。对于浅层封堵注浆孔，孔间距宜为1.5 m×1.5 m，孔深宜为3.5～5.0 m，孔径宜为38～50 mm。浅层封堵孔钻孔方向应根据节理裂隙面、隧道断面等的方向以及裂隙发育深度、宽度等确定，钻孔布置范围见图6。

通过实施浅层注浆封堵，可以有效防止地下水沿岩体内浅层裂隙溢流，形成新的出水带或通道，对实现隧道断面的整体封堵具有重要作用。

2.5闭水试验

在进行顶水注浆之前，应先进行闭水试验，即关闭全部预留分流减压孔的控制闸阀24 h，检查是否还有未发现的次生裂隙或出水现象。若没有发现新的出水点，才能进行顶水注浆封堵。

2.6顶水注浆封堵

深层加固和浅层封堵施工结束后，对水压高、出水量大的分流减压孔进行顶水注浆封堵。注浆封堵顺序应由浅孔至深孔、由远及近、由外向内依次进行，注浆浆液采用防水稀释、胶凝时间可控的特种浆液。注浆过程中，需打开部分分流减压孔阀门，观察串浆情况，待所串浆液达到一定浓度后逐步关闭分流减压孔。将浆液由裂隙口向深部堆积填充，达到完全封堵裂隙的目的。

2.7补充注浆

顶水注浆封堵以后，若仍存在出水部位，需对该部位进行针对性的钻孔注浆封堵，直至满足封堵要求。补充注浆孔根据出水情况与前期堵水注浆孔情况进行布置，见图6。孔深同周边注浆孔。

3 注浆作业实施

3.1裂缝宽度分析

在进行渗流出水注浆封堵之前应分析和掌握裂隙发育情况，根据涌水量计算裂缝宽度，计算公式为：

(1)

式中：Q1为区域裂隙涌水量，m3/h；c为经验常数；ρ为水的密度，kg/m3；g为重力加速度，m/s2；a为裂隙宽度，m；L1为裂隙长度，m；η为黏度，Pa·s。

根据岭南隧洞工程隧道断面出水情况，选取K30+380～+405出水段作为计算示例，并根据现场工程师对出水流量及裂隙情况的判断，由式(1)得出计算结果见表1。

表1 岭南工程出水裂隙宽度计算结果

3.2注浆材料及配比

对于富水高压、水量大的出水段，一般的注浆材料很容易被水流稀释，难以凝胶、固结，无法起到注浆封堵作用。因此，根据引汉济渭岭南隧洞出水点的情况，开展了特殊材料的配比优化比选。一类浆液为纯水泥浆，另一类浆液分别加入3种不同的特殊材料。特种材料见图7： 1)特材A，水下抗分散剂，有良好的抗水流稀释性能和抗水流冲击性能，可使混合后的水泥浆性能达到初凝≥12 h、终凝≤36 h、28 d抗压强度≥20 MPa、28 d水陆抗压强度比≥70%； 2)特材B，聚合物纤维，可实现混合后的水泥浆细度≤8.0%、干燥失重率≤6.0%、黏度=100 000 mPa·s(-10%，+20%)、凝胶温度为58.0～64.0 ℃； 3)特材C，液态速凝剂，具有凝结时间快、早期强度高、收缩变形小的特点，水不溶物(%)≤0.4，密度为1.368～1.394 g/mL。

水泥采用P·O 42.5普通硅酸盐水泥；砂子选用天然河砂，粒径不宜大于2.0 mm，细度模数不宜大于2.0，SO3含量不宜大于1%(以质量计)，含泥量不宜大于3%，有机物含量不宜大于3%。

根据纯水泥浆和加入不同特殊材料的特种堵水浆液在引汉济渭岭南隧洞工程的应用情况，得出：

1)对于雨淋状和小股状出水洞段的地下水，m水∶m水泥∶m特A∶m特C=(0.5～2)∶1∶0.05∶(0.1～0.2)。

2)对于较大流量股状(或主通道)出水洞段地下水，m水∶m水泥∶m砂∶m特A∶m特B∶m特C=0.5∶1∶1∶0.05∶0.025∶0.2。

3)对于一般渗水面，可采用纯水泥浆，根据渗水量可选择水灰质量比分别为3∶1、2∶1、1∶1、0.8∶1、0.5∶1的水泥浆液。

(a) 特材A(水下抗分散剂)

(b) 特材B(聚合物纤维)

(c) 特材C(液态速凝剂)

图7特种堵水注浆材料样品

Fig. 7 Samples of special water stop grouting materials

3.3注浆压力

根据隧道断面不同的水压、水流量以及注浆孔不同作用选择不同的注浆压力，注浆压力一般控制在裂隙水压力+(1.0～2.0) MPa。

3.4注浆量

为了保证裂隙被安全封堵，需根据加固范围、加固深度、出水点裂隙间距、裂隙数量等确定注浆量，计算涌水点处的总注浆量

Q2=αNL2WH(1+β)。

(2)

式中：Q2为总注浆量，m3；α为充填系数，一般取0.8～1.0；N为注浆范围内裂隙条数；L2为裂隙长度，m；W为裂隙宽度，m；H为裂隙高度，m；β为损失系数，一般取0.1～0.2。

根据岭南隧洞工程隧道断面出水情况，选取K30+023～+035出水段作为计算示例，由式(2)得出计算结果见表2。

表2 岭南工程注浆量计算结果

考虑到裂隙的联通性和随机性，现场注浆时，实际最大注浆量一般不超过Q2的4倍，即22.8 m3。

3.5注浆顺序

注浆封堵应按照“先无水后有水、先小水后大水、先浅层后深层、先两端后中间、先拱脚后拱顶再边墙”的顺序依次进行灌注。

3.6注浆原则

浆液变换标准： 1)当注浆压力保持不变、注入率逐渐减少或注入率不变而注浆压力逐渐升高时，不得改变水灰质量比； 2)当某级浆液注入量已达300 L以上或注浆时间已大于30 min，而注浆压力和注入率均无改变或改变不明显时，应采用高一级水灰质量比的浆液； 3)当注入率达到30 L/min，但注浆压力和注入率均无改变或改变不明显时，可根据情况越级变浓，直至灌注特种堵水浆材。

注浆结束标准： 1)采用纯水泥浆时，注浆压力逐步升高至设计压力，注入率小于1 L/min，持续灌注20 min即可结束； 2)采用特种堵水浆液时，注浆压力逐步升高，注入率小于1 L/min时即可结束。

闭浆： 注浆结束后，采用闭浆措施(关闭孔口封闭的高压球阀)，继续保持注浆孔封闭状态直至浆液完全凝固(终凝)后才能拆除孔口封闭器或膜袋塞。

3.7封孔

注浆孔全部安装膜袋塞或安装孔口封闭器，采用孔口封闭纯压式注浆法。注浆结束后，割除孔口封闭器或膜袋塞，使用M25水泥砂浆对孔口部分进行封填处理。

4 特殊情况处理措施

4.1钻孔遇出水处理

若钻孔过程中遇小流量出水(<10 m3/h)，则继续钻进至目标孔深后进行注浆；若钻孔过程中遇大流量涌水(≥10 m3/h)，则停止钻进并进行注浆封堵，封堵完成之后再继续钻进，如此反复，直至达到目标孔深。

4.2出水孔注浆处理

小涌水孔处理方法： 采用纯压式注浆法，同时提高注浆压力(设计压力+(1.0～2.0) MPa)，注浆结束后进行闭浆待凝，待凝时间不少于8 h。

大涌水孔处理方法： 大涌水孔应测记涌水量与压力，直接使用特种堵水注浆材料灌注至结束标准，之后旁边扫孔使用纯水泥浆灌注至结束标准。

4.3注浆中断处理

注浆工作应连续进行，若因故中断，必须马上处理，尽早恢复注浆。如被迫中断时间超过30 min，则应进行钻孔冲洗；如冲洗无效，则应扫孔。恢复注浆时应使用水灰质量比3∶1(无水孔、小水孔)或0.5∶1(股状水)的水泥浆进行灌注，若注入率为中断前的90%及以上，应逐级加浓浆液继续灌注；若注入率为中断前的70%～90%，可采用中断前注浆水灰质量比的水泥浆继续灌注；若注入率小于中断前的70%，且在短时间内停止吸浆，则该段注浆应视为不合格，需要重新扫孔、洗孔后复灌。

4.4串浆、冒浆、漏浆处理

注浆过程中发现冒浆、漏浆时，应根据具体情况及时采用嵌缝、表面封堵、低压、浓浆、限流、限量、间歇、待凝等方法进行处理。若漏水或漏稀浆时可继续灌注；若漏浓浆则应降低注浆压力，直至漏浆停止，然后逐渐升压至原来注浆压力后继续灌注。若降压无效再变浓浆液灌注；若降压和变浓均无效，且漏浆量接近注入量，应停止灌注进行待凝，待凝时间不少于8 h；若恢复注浆后吸浆量接近于零或停止吸浆，此段应作为不合格孔段，需视情况进行处理。

注浆过程中发生串浆时，若串浆孔具备注浆条件，可进行并联注浆，但并联注浆孔不宜多于3个，否则应塞住串浆孔，待注浆孔注浆结束后，再在串浆孔旁边扫孔、冲洗，而后继续钻进或注浆。

4.5钻孔漏水的处理

钻孔过程中遇破碎带不能成孔，或遇岩脉及影响带导致钻进循环水漏失而不能继续钻孔时，可先进行注浆加固处理，而后旁边钻孔进行深部注浆。

4.6大耗浆孔段处理

为保证注浆质量，无水孔和小水孔宜先采用纯水泥浆进行灌注。若单孔灌注量达到1.2 m3，流量、压力均无明显变化时，应待终凝至少8 h后扫孔复注。若单孔注浆次数达到3次，压力、流量仍无明显变化，则应改用特种堵水注浆材料进行灌注，结束后再用纯水泥浆复注，直至达到结束标准。

5 注浆封堵质量检测

注浆封堵完毕后3～7 d内进行压水试验。压水试验布孔应设置在耗浆量大、注浆不正常、地质条件差的出水段，孔数不少于总孔数的5%。试验采用压水试验法，其压力控制在1.0 MPa。

压水试验吸水量的稳定标准： 压力稳定后，每3 min测读一次压入流量，连续4次读数中最大值与最小值之差小于最终值的10%，或最大值与最小值之差小于1 L/min时，本阶段压水试验结束。

压水试验时，单位吸水率w≤3 Lu即为合格，孔段合格率应在80%以上，不合格孔段的单位吸水率不超过设计规定值的50%且不集中，注浆质量可认为合格。

6 封堵效果

引汉济渭岭南隧洞工程注浆封堵施工从2016年3月28日开始，截至2016年9月28日共计完成8个出水段的封堵工作，累计钻孔1 191个，钻孔总长度为5 348 m；灌注水泥量共计400 t，特材A、特材B、特材C消耗共计30 t；检查钻孔178个进行压水试验。检查结果表明： 注浆封堵效果良好，完全满足规范要求，且洞内出水量由原来的46 000 m3/d降至7 800 m3/d左右。注浆前后的效果对比如图8所示。

图8注浆前后对比

Fig. 8 Grouting effect

7 结论与建议

引汉济渭岭南工程TBM施工段遭遇裂隙水压高、流量大的不良地质，为正常施工带来了巨大的困难。针对上述问题，本文提出了高压富水隧洞硬岩地层径向注浆堵水施工技术，提出“钻孔分流+表面嵌缝+浅层封堵+深层加固”的裂隙注浆堵水处理措施，配合新型的注浆材料，实现了对高压富水裂隙渗流出水的有效封堵。同时，结合引汉济渭岭南工程的渗流出水情况，给出裂缝宽度、注浆量、注浆压力的计算公式以及注浆过程控制标准。通过在岭南工程的注浆封堵实践，表明该技术具有良好的封堵效果，值得推广应用。

1)加入特种注浆材料(水下抗分散剂、聚合物纤维、液态速凝剂)的一定配比的堵水材料对高水压、大水量的裂隙涌水具有良好的注浆封堵作用。

2)应根据隧道断面不同的出水量、出水面积、地质构造、节理裂隙发育等情况设计注浆封堵方案。根据出水量的大小对隧道断面划分区域，针对不同区域采取不同封堵措施，包括钻孔分流、表面嵌缝、浅层封堵、深层加固等，合理布置各类钻孔位置。

3)对于水压高、流量大的隧道断面应坚持“钻孔分流+深层加固”的深部处理原则，根据隧道断面、节理裂隙面等确定钻孔方向，根据出水量大小、裂隙宽度等确定钻孔深度、注浆量等。

4)对于隧道断面出水特殊情况应采取特殊处理措施，从注浆材料、注浆时间、注浆控制等方面进行针对性设计。

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Radial-groutingWater-stopTechnologyandItsApplicationtoHigh-pressureWater-richHardRockTunnel

SUN Zhenchuan1, 2, YOU Jinhu2

(1.StateKeyLaboratoryofShieldMachineandBoringTechnology,Zhengzhou450001,Henan,China; 2.ChinaRailwayTunnelStockCo.,Ltd.,Zhengzhou450001,Henan,China)

The TBM-bored Lingnan Tunnel of Hanjiang River-Weihe River Water Conveyance Project crosses high pressure and water-rich fractured zones; and high-pressure water inrush is serious during TBM construction. As a result, the fissure radial grouting technology, i.e. grouting diffluence + surface caulking + shallow plugging + deep reinforcement, is put forward. By adopting the radial grouting technology and new type of grouting material, the high pressure water inrush from the fissure has been effectively controlled and stopped. The calculation formulas for crack width, grouting volume and grouting pressure and control standards for grouting process are provided by taking the water inrush situation of Lingnan Tunnel for example. The application result of the technology, the water inrush volume of 7 800 m3/d (original one of 46 000 m3/d), indicates that the technology adopted is effective. The results can provide reference for radial grouting of similar high-pressure water-rich fractured ground.

hard rock ground; high pressure water-rich fractured zone; TBM construction; water inrush; radial grouting

2017-03-29;

2017-10-16

孙振川(1972—)，男，陕西韩城人， 2009年毕业于石家庄铁道学院，土木与建筑专业，硕士，教授级高级工程师，现从事隧道与地下工程技术创新与管理工作。E-mail： szcwyf@vip.163.com。

10.3973/j.issn.2096-4498.2017.11.015

U 455.43

B

2096-4498(2017)11-1455-07